Mikroschweißungen an Medizinteilen aus Metall prüfen: Laserschweißnaht und Schweißpunkt an Kanüle, Hülse und Endoskopschaft

An Kanülen, Hülsen, Kathetern und Endoskopschäften sitzen Laserschweißnähte und Schweißpunkte, die oft kleiner sind als ein Millimeter. Ob eine solche Naht durchgeht, ob ein Punkt an der richtigen Stelle sitzt und ob der Laser ein Loch gebrannt hat, lässt sich mit dem Auge kaum noch zuverlässig beurteilen, an jedem einzelnen Teil schon gar nicht. Dieser Beitrag richtet sich an Prozessingenieure bei Herstellern von Kanülen, Instrumenten und Komponenten für Medizinprodukte und an Maschinenbauer, die Laserschweiß- und Prüfautomaten für sie bauen. Er geht die dokumentierten Anfragen nach Bauteil durch. Es sind Anfragen, Lastenhefte, ein Konzept und ein Versuch ohne festgehaltenes Ergebnis; eine installierte Nahtprüfung ist nicht darunter.

Wichtige Punkte im Überblick

Schweißpunkte von 0,5 bis 0,75 mm Durchmesser an Medizinteilen aus Metall sollen in den dokumentierten Anfragen an jedem Teil geprüft werden, eine Stichprobe reicht dort nicht.
Lage, Verbindung, Durchschuss und Schweißperlen verlangen verschiedene Auswertungen: Lage ist eine Positionsmessung gegen eine Bezugskante, Verbindung eine Frage der Durchgängigkeit, Durchschuss und Perlen sind Fehler mit wechselnder Form.
An runden Teilen wie Hülse und Kanüle sind Aussetzer und Nahtmitte Höhenfragen, für die ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in Frage kommt.
Bei einem Kanülenautomaten mit rund 17 Teilen pro Sekunde bleiben rechnerisch knapp 60 ms je Teil, deshalb verteilt das Lastenheft die Prüfung auf mehrere Stationen.
Die Einbrandtiefe gehört nicht zur Prüfung in der Linie, sie zeigt nur der Querschliff im Labor.

Kleiner als ein Millimeter: warum Nähte an Medizinteilen jedes Teil verlangen

Die Maße setzen den Rahmen. In den Anfragen haben Schweißpunkte einen Durchmesser von 0,5 bis 0,75 mm, eine Kanüle misst unter einem Millimeter im Durchmesser bei einer Wand von etwa 0,1 mm, und ein Endoskopschaft liegt zwischen 1,6 und 10 mm. Ein Teil für ein Medizingerät muss laut Anfrage optisch zu 100 Prozent geprüft werden, beim Spülschaft für Endoskope wird die vollständige Kontrolle als wichtig genannt. Eine Stichprobe reicht in beiden Fällen nicht.

Wo heute von Hand geprüft wird, stößt die Sichtprüfung als Technikklasse an eine Grenze: Sie liefert ein Urteil, aber keinen Wert für Lage oder Breite, und sie hängt an Aufmerksamkeit und Licht. Das Ausrichten von Nadeln und Elektroden vor dem Fügen ist eine Positionieraufgabe und gehört nicht hierher. Mikroschweißungen an Steckern, Litzen und Leistungsmodulen behandelt der Beitrag zur Elektronikfertigung.

Schweißpunkte an Kleinteilen: Lage, Verbindung, Durchschuss und Schweißperlen

Ein Bauteil für ein Medizingerät, rund 40 mm lang und wenige Millimeter im Querschnitt, wird an mehreren Stellen mit einer Laserschweißanlage punktverschweißt. Die Anfrage nennt vier Merkmale: die Lage jedes Schweißpunktes auf 0,1 mm, die Verbindung zwischen zwei benachbarten Punkten, den Durchschuss, bei dem der Laser ein Loch in das Teil brennt, und Schweißperlen auf dem Bauteil.

Die vier Merkmale verlangen verschiedene Auswertungen. Lage ist eine Positionsmessung gegen eine Bezugskante, Verbindung eine Frage der Durchgängigkeit zwischen zwei Punkten. Durchschuss und Perlen sind Fehler, deren Form von Teil zu Teil anders ausfällt. Die All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS stellt neben regelbasierten Tools die AI-Tools AI-Erkennung, AI-Segmentierung und AI-Klassifizierung bereit. Rechnerisch entsprechen 0,1 mm bei einem Punkt von 0,5 mm einem Fünftel seines Durchmessers; die Auflösung im Bild muss also deutlich feiner sein als der Punkt selbst.

Nicht jede Anfrage braucht alle vier Merkmale. An einem Katheter soll nur geprüft werden, ob die Schweißpunkte vorhanden sind, über ein Bildfeld von etwa 60 mm Länge. Hier genügt die Frage, ob jeder erwartete Punkt im Bild erscheint. Angefragt ist außerdem eine Feder für ein Medizinprodukt, an der Schweißnaht und Oberfläche kontrolliert werden sollen.

Zwei Nähte an der Kanüle: Höhendaten ohne bewegten Messkopf

Bei einer Kanüle mit zwei Schweißnähten setzt der Ansatz bei der Höhe an. Erprobt wurde er mit dem 3D Laser-Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000, der seine Aufnahme ohne Bewegung des Messkopfs erstellt. Ein Ergebnis ist in der Dokumentation nicht festgehalten. Das Prinzip passt zu Anlagen, in denen das Teil ohnehin kurz steht: Sensor und Kanüle müssen für die Aufnahme nicht gegeneinander verfahren werden, und die Naht zeigt sich als Höhenprofil, auch wo sie sich im Grauwert kaum vom Rohr abhebt.

Zuständig für die Prüfung ist in diesem Fall der Maschinenbauer der Laserschweißanlage. Das ist bei Medizinteilen häufig so: Die Prüfung wird Teil der Schweißanlage, und ihre Anforderungen stehen im Lastenheft an den Anlagenbauer. Wie eine Prüfstation als Modul in eine Schweißanlage kommt, beschreibt der Beitrag zur Nahtprüfung im Maschinen- und Anlagenbau.

Risse und Naht im Takt eines Kanülenautomaten

Ein reiner Prüfautomat für Kanülen soll rund 17 Teile pro Sekunde schaffen; rechnerisch bleiben knapp 60 ms je Teil. Die Kanülen sind etwa 26 mm lang, unter einem Millimeter dick und haben eine Wand von etwa 0,1 mm. Sie kommen aus Magazinen und werden vereinzelt. Im besprochenen Lastenheft stehen zwölf Fehlerklassen, eine davon heißt Risse und Schweißnaht. Eine konkrete Anfrage gibt es noch nicht.

Aufschlussreich ist die Verteilung auf Stationen. Risse und Naht werden an zwei Stellen gesucht: einmal mit einer Matrixkamera unter koaxialem Auflicht, einmal mit zwei bis drei Zeilenkameras, die das Lastenheft selbst als konzeptionell aufwendig und als Engpass der Anlage einstuft. Mehrere Matrixstationen an einem Controller kann die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G führen, mit bis zu acht Kameras. Zeilenkameras laufen an der High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X, encodergesteuert und mit höchstens vier Zeilenkameras an zwei Erweiterungsmodulen. Ob eine Zeilenstation den Takt hält, hängt an Belichtung, Auflösung und Fördergeschwindigkeit und ist vor der Auslegung an Musterteilen zu klären.

Die übrigen Fehlerklassen betreffen vor allem Spitze, Rohrende und Form der Kanüle; sie gehören zur Geometrie der Kanüle, die ein eigener Beitrag zur Maßprüfung in der Medizintechnik behandelt.

Rund und dünn: die Naht an der Hülse seitlich erfassen

Eine Metallhülse für die Medizintechnik gibt es in einer kleinen und einer großen Ausführung. Ihre Schweißnaht darf nicht aussetzen; geprüft werden sollen der Mittelpunkt der Naht, Fehler und Aussetzer. Das Konzept: Das Teil steht still, der Messkopf ist schräg angestellt und erfasst seitlich die ganze Breite von etwa 26 mm auf einmal, im Takt von etwa 0,3 s. Teile mit typischen Fehlern liegen als Muster vor.

Für diese Aufgabe kommt ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 in Frage. Sein X-Feld reicht je nach Messkopf von 7,0 bis 510 mm, 26 mm liegen also im Bereich mehrerer Köpfe. Verläuft die Naht in Richtung der Messlinie, zeigt sich ein Aussetzer als Lücke im Höhenverlauf und die Nahtmitte als Lage im Profil. Ob ein Profil je Hülse genügt oder das Teil dafür gedreht werden muss, klären die Fehlermuster.

Viele Durchmesser am Handarbeitsplatz: der Spülschaft für Endoskope

Anders liegt der Fall beim Spülschaft für Endoskope. Hier sollen Schweißnähte an Schäften von 1,6 bis 10 mm Durchmesser erkannt werden, in etwa 50 Varianten, von Hand eingelegt, mit rund 10 s je Prüfung. Geschweißt wird mit einer vorhandenen Laseranlage, die Prüfung soll die Sichtprüfung an mehreren Plätzen unterstützen. Farbfehler und die Anwesenheit weiterer Merkmale sind als Nebenthemen genannt.

Die eigentliche Aufgabe ist die Spanne der Durchmesser: Rechnerisch ändert sich die Größe des Schafts im Bild um mehr als das Sechsfache. Mit einer Optik für alle Varianten wird der dünnste Schaft sehr klein abgebildet, mit wechselnden Einstellungen muss die Variante sicher feststehen. Bei Handeinlage schwanken auch Lage und Drehung von Teil zu Teil. Die 10 s lassen Zeit für mehrere Aufnahmen je Schaft. Wie die Varianten verwaltet werden, per Code, per Bedieneingabe oder über das Bild, gehört vor der Auswahl ins Lastenheft.

Höhe und Kontrast in einer Messung: was der Profilsensor an der Laserschweißnaht auswertet

In einem Anwendungsleitfaden zur Modellreihe LJ-X8000 wird eine Laserschweißnaht auf Fehlstellen und Positionsabweichungen geprüft; weil der Profilsensor Höhendaten und Kontrastinformationen zugleich auswertet, findet er auch schwer erkennbare Fehler. Das dokumentierte Beispiel stammt aus der Batteriefertigung; ob es sich auf ein Medizinteil überträgt, zeigt der Test an Musterteilen. Ein Leitfaden zur Schweißnahtkontrolle nennt Auswertungen für Nahtdicke, Nahtbreite, Einkerbung und Überlappung und beschreibt die Erkennung von Einbrandkerben, zu dünnen Nähten, Hinterschneidungen und Schweißspritzern. Die Einbrandtiefe gehört nicht dazu, sie zeigt nur der Querschliff im Labor, wie der Beitrag zu Fehlerklassen an Schweißnähten in der Metallverarbeitung erläutert.

Geprüft wird in jedem Fall in der Fertigung; Kamera und Sensor gehören an die Schweiß- oder Prüfanlage, nicht in das Medizinprodukt. Für die Modellreihen LJ-X8000 und LJ-S8000 ist der Einsatz in medizinischer Ausrüstung laut Anleitung nicht vorgesehen, die Anleitungen der Modellreihen VS und XG-X nennen die Kombination mit medizinischen Geräten unter den Situationen, in denen das Produkt nicht verwendet werden darf.

Häufige Fragen

F Kamera oder Profilsensor für Schweißpunkte und Nähte an Medizinteilen?

Das hängt vom Merkmal ab. Lage eines Schweißpunktes, Verbindung zwischen Punkten, Perlen und Anwesenheit sind Bildfragen für eine All-in-One Kamera der Modellreihe VS. Aussetzer und Nahtmitte an runden Teilen wie Hülse und Kanüle sind Höhenfragen; dafür kommen ein Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 oder ein Snapshot-Sensor der Modellreihe LJ-S8000 in Frage.

F Wie fein muss die Auflösung bei Schweißpunkten unter einem Millimeter sein?

In der Anfrage zum Kleinteil soll die Lage eines Punktes von 0,5 bis 0,75 mm auf 0,1 mm stimmen. Rechnerisch braucht die Auswertung dafür mehrere Pixel auf 0,1 mm, das Bildfeld bleibt entsprechend klein. Wie fein es tatsächlich sein muss, zeigt ein Test mit Musterteilen und Grenzmustern.

F Lässt sich eine Kanüle bei 17 Teilen pro Sekunde prüfen?

Rechnerisch bleiben knapp 60 ms je Teil. Im dokumentierten Lastenheft verteilt sich die Prüfung deshalb auf mehrere Stationen, Risse und Naht auf zwei davon, und eine Station mit Zeilenkameras gilt dort selbst als Engpass. Ob der Takt gehalten wird, zeigt erst die Auslegung an Musterteilen.

F Welche Merkmale wertet ein Laser-Profilsensor an einer Laserschweißnaht aus?

Die Leitfäden zur Modellreihe LJ-X8000 nennen Fehlstellen und Positionsabweichungen der Naht sowie Auswertungen für Nahtdicke, Nahtbreite, Einkerbung und Überlappung. Höhe und Kontrast werden dabei gemeinsam genutzt. An Medizinteilen sind das Merkmale der Oberfläche; die Einbrandtiefe zeigt der Querschliff im Labor.

F Wird der Sensor im Medizinprodukt selbst eingesetzt?

Nein. Geprüft wird an der Schweiß- oder Prüfanlage in der Fertigung. Für die Modellreihen LJ-X8000 und LJ-S8000 ist der Einsatz in medizinischer Ausrüstung laut Anleitung nicht vorgesehen; für die Modellreihen VS und XG-X nennen die Anleitungen die Kombination mit medizinischen Geräten unter den unzulässigen Verwendungen.

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